CN110701251A - 一种多级同轴面接触活齿精密减速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级同轴面接触活齿精密减速器，主要包括中心齿轮，三个周向均布的行星齿轮，曲柄轴，偏心盘，激波器，壳体，活齿，面齿圈，输出盘。壳体固定，高速转动由与壳体同轴的中心齿轮输入，中心齿轮与三个行星齿轮啮合，每个行星齿轮和一个曲柄轴固联，三个同向偏置的曲柄轴与偏心盘组成转动副，偏心盘放置在激波器上，推动激波器自转，驱动活齿做轴向移动，活齿与面齿圈啮合，使面齿圈产生低速转动，面齿圈和输出盘固联，输出盘输出低速转动。本发明减速器具有大速比、匀速输出等优点，并且与一般减速器相比，承载能力大，结构紧凑，能够满足大速比高承载低回差场合下减速器的需求。

Description

一种多级同轴面接触活齿精密减速器

技术领域

本发明涉及传动机构领域，具体涉及活齿传动领域和精密传动领域，尤其涉及一种多级同轴面接触活齿精密减速器。

背景技术

随着科学技术的向极端工况领域不断推进，尤其是机器人、航空等领域对精密减速器提出了零隙精密、大速比、高承载、长寿命的要求。现有市场上的精密减速器以RV减速器和谐波减速器为主。

其中，RV减速器是上世纪80年代由日本帝人公司开发的一款基于少齿差原理的二级减速器，具有速比大、精度高、传动平稳等优点，但是它低速级的对加工误差敏感，加工难度较高，同时最重要的是在提高承载能力需求面前，基于RV减速器的改进方案已经不能达到期望的要求。

谐波减速器也是基于少齿差的原理的一种精密减速器，它可实现较大传动比输出，然而，它通过激波器周期性挤压柔轮变形实现少齿差的方式，使其不但在运行过程中效率、精度和寿命受到影响，并且在复杂动力学工况下容易失灵。

发明内容

本发明目的是实现一种满足背景技术部分所述需求的精密减速器。该减速器消除了已有的精密减速器的上述缺点，其中，该减速器在力传递过程中扭矩较大的环节通过面接触啮合的方式，在同等尺寸下较现有精密减速器更高的力矩传递能力。此外，在较高力矩传递能力情况下，本发明加速器可以选择的传动比范围较大，可以在i＝10至i＝150之间任意选择。在较高力矩传递能力和较高的传动比情况下，本发明减速器可以承载至少10000转/分钟的输入转速。

为使得满足上述要求的减速器得以实现，本发明提供了一种多级同轴面接触活齿精密减速器，该减速器由高速输入构件、低速输出构件和壳体组成，所述高速输入构件包括输入轴、与输入轴固联的中心齿轮、三个周向均布的行星齿轮和分别三个行星齿轮固联的曲柄轴，三个曲柄轴上套装有一个偏心盘和激波器；所述低速输出构件由活齿，面齿圈和输出盘组成；所述输入轴、中心齿轮、激波器、壳体、面齿圈和输出盘为同轴设置；所述高速输入构件为一个行星轮系，所述低速输出构件为一个活齿减速装置；所述高速输入构件和所述低速输出构件共同组成一个K-H-V型周转轮系；所述输入轴承接高速输入运动，三个周向均布的行星齿轮与中心齿轮同时啮合，三个曲柄轴的曲拐方向一致、并位于所述偏心盘上的三个周向均布的阶梯孔内，所述偏心盘放置于所述激波器上；所述壳体上设有N个导向槽，所述激波器的下端有周向布置的面凸轮，有N个活齿均布在面凸轮上，每个活齿分别安装在壳体的一个导向槽内，每个活齿均可沿所在的导向槽上下移动，所述活齿的下端与所述面齿圈啮合，所述面齿圈的齿盘上包括有2N+2个相同的齿，所述面齿圈与所述输出盘固联。

进一步讲，本发明所述的多级同轴面接触活齿精密减速器，其中，所述面齿圈齿盘上的齿周向均布在面齿圈端面上，所述齿的工作曲线形状包括对称的、旋向相反的圆柱螺旋线，为避免顶切，两段圆柱螺旋线之间由一段过度曲线连接，即在齿顶部切去一部分；所述活齿的齿形与所述面齿圈齿盘上齿的齿形相同；所述激波器的面凸轮理论廓线由两段上升工作曲线、两段下降工作曲线和四段过渡曲线依次连接而成，其中上升工作曲线和下降工作曲线为与面齿圈的齿廓升程相等的导程更小的圆柱螺旋线，每段过渡曲线与前后两段工作曲线相切，并且平滑，该过渡曲线的曲线函数任取，但是该过渡曲线任意一点均有导数，各曲线在周向的排布为上升曲线到过渡曲线到下降曲线到过度曲线的顺序循环，过渡曲线的作用是使活齿的上下移动平滑过渡，防止出现冲击。

所述活齿与面凸轮接触，相位的不同，同一时刻，每个活齿的高低位置存在差异，所述活齿与所述导向槽之间为间隙配合，所述活齿可以沿所述导向槽上下移动，用于实现轴向导向。

所述活齿与所述导向槽的侧面接触面上设有一个或者两个接触平面，用于实现周向定位。

所述面齿圈与所述壳体之间、所述输出盘与所述壳体均是有油封。

所述曲柄轴上在位于偏心盘轴承与曲柄轴轴承之间设有轴套。

所述的激波器的自转是通过偏心盘的公转驱动的，所述偏心盘的公转受到曲柄轴的驱动，偏心盘的作用是连接高速级的行星轮系和低速级的活齿减速器。

所述面齿圈齿盘上的齿、所述活齿和所述激波器的面凸轮的廓线均采用如下圆柱螺旋线，

圆柱螺旋线的参数方程如下：

公式中，r为活齿或面齿圈上某点相对面齿圈中心轴线的距离，h为圆柱螺旋线旋转一周上升的高度，称为螺距，θ是相对初始点该点转过的角度，x,y,z是该点的坐标位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明减速器中，壳体固定，高速转动由与壳体同轴的中心齿轮输入，中心齿轮与三个行星齿轮啮合，每个行星齿轮和一个曲柄轴固联，三个同向偏置的曲柄轴与偏心盘组成转动副，偏心盘放置在激波器上，推动激波器自转，驱动活齿做轴向移动，活齿与面齿圈啮合，使面齿圈产生低速转动，面齿圈和输出盘固联，输出盘输出低速转动。本发明减速器采用轴向激波和多齿啮合方式，与一般减速器相比，速比大，结构紧凑，制造方便。具有承载能力高，匀速输出，刚度大，传动平稳，可靠性高等优点，能够满足大速比高承载低回差场合下减速器的需求。

附图说明

图1是本发明多级同轴面接触活齿精密减速器的示意性剖面图；

图2是仅包含活齿17和面齿圈20的正等测图；

图3是图1中所示面齿圈20的齿面形成的示意性立体图；

图4是图1中所示活齿17的示意性侧视图；

图5是仅包含活齿17和面齿圈20的俯视图；

图6是本发明多级同轴面接触活齿精密减速器的正等测图；

图中：1-壳体，2-主轴承，3-激波器，4-曲柄轴轴承，5-曲柄轴，6-偏心盘轴承，7-行星齿轮，8-输入轴，9-中心齿轮，10-输入轴小轴承，11-固定螺栓，12-偏心盘，13-偏心盘滚子，14-输出盘，15-油封，16-激波器滚子，17-活齿，18-输入轴大轴承，19-曲柄轴轴套，20-面齿圈，21-活齿导向槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

如图1和图6所示，本发明提出的一种多级同轴面接触活齿精密减速器，该减速器由高速输入构件、低速输出构件和壳体1组成，所述高速输入构件包括输入轴8、与输入轴8固联的中心齿轮9、三个周向均布的行星齿轮7和分别三个行星齿轮7固联的曲柄轴5，即每个行星齿轮7上固联一个曲柄轴5，三个曲柄轴5上套装有一个偏心盘12和受到偏心盘12驱动的激波器3；所述低速输出构件由活齿17，面齿圈20和输出盘14组成；所述输入轴8、中心齿轮9、激波器3、壳体1、面齿圈20和输出盘14为同轴设置。

所述高速输入构件为一个行星轮系，所述低速输出构件为一个活齿减速装置；所述高速输入构件和所述低速输出构件共同组成一个K-H-V型周转轮系。所述输入轴8承接高速输入运动，中心齿轮9通过花键与输入轴8固联，如图6所示，三个周向均布的行星齿轮7与中心齿轮9同时啮合，三个曲柄轴5的曲拐方向一致、并位于所述偏心盘12上的三个周向均布的阶梯孔内，偏心盘12通过偏心盘滚子13放置在激波器3上，激波器3通过激波器滚子16放置在壳体1，偏心盘12和激波器3在放置偏心盘滚子13的位置是斜面。激波器3和壳体1在放置激波器滚子16的位置也是斜面。

所述壳体1上设有N个用于活齿轴向导向的导向槽21，所述激波器3的下端有周向布置的面凸轮，有N个活齿17均布在面凸轮上，每个活齿17分别安装在壳体1的一个导向槽21内，每个活齿17均可沿所在的导向槽21上下移动，所述活齿17的下端与所述面齿圈20啮合，所述面齿圈20的齿盘上包括有2N+2个相同的齿201，所述面齿圈20与所述输出盘14通过螺栓11固联。所述内齿圈20和输出盘14分别通过一个主轴承2放置在壳体1上，并通过三个周向均布的螺栓固定和预紧，主轴承2采用面对面接触。

本发明中，输入轴8设计为阶梯状的空心轴，通过输入轴小轴承10和输入轴大轴承18放置在输出盘14和面齿圈20上，输入轴小轴承10和输入轴大轴承18是方向相反的圆锥滚子轴承，采用面对面安装。每个曲柄轴5通过两个曲柄轴轴承4放置在输出盘14和面齿圈20上，通过一个偏心盘轴承6放置在偏心盘12上，其中，两个曲柄轴轴承4是方向相反的圆锥滚子轴承，采用面对面安装，偏心盘轴承6为角接触球轴承，方向向上。所述曲柄轴5上在位于偏心盘轴承6与曲柄轴轴承4之间设有轴套19，轴套19的作用是提供下端的曲柄轴轴承4的轴向定位，进而起到轴向固定曲柄轴5的作用。所述面齿圈20与所述壳体1之间、所述输出盘14与所述壳体1均是有油封15，油封15起到密封作用。

如图3所示，所述面齿圈20齿盘上的齿201周向均布在面齿圈20端面上，所述齿201的工作曲线形状包括对称的、旋向相反的圆柱螺旋线204，为避免顶切，两段圆柱螺旋线204之间由一段过度曲线连接，相邻的一段上升圆柱螺旋线和一段下降圆柱螺旋线之间用一段过渡曲线连接，即在齿201的顶部切去一部分206，在两个齿201的连接处，底端有填充205；所述活齿17的齿形与所述面齿圈20齿盘上齿201的齿形相同。所述激波器3的面凸轮理论廓线由两段上升工作曲线、两段下降工作曲线和四段过渡曲线依次连接而成，其中上升工作曲线和下降工作曲线为与面齿圈20的齿廓升程相等的、更加平缓即导程更小的圆柱螺旋线，每段过渡曲线与前后两段工作曲线相切，并且光滑，该过渡曲线的曲线函数任取，但是需要任意一点均有导数，各曲线在周向的排布为上升曲线到过渡曲线到下降曲线到过度曲线的顺序循环，通过这样的方式可以实现活齿2和面齿圈4之间的面接触。过渡曲线的作用是使活齿的上下移动平滑过渡，防止出现冲击。

如图4所示，所述活齿17的主体是一个柱状体，上端设有球面171，下端是与所述面齿圈20齿盘上齿201的齿形相同的齿172，为了防止顶切，活齿的一段上升工作曲线和一段下降工作曲线之间用一段过渡曲线连接，即在活齿17的下端端部切去一部分173。所述活齿17与面凸轮接触，相位的不同，同一时刻，每个活齿17的高低位置存在差异，所述活齿17与所述导向槽21之间为间隙配合，所述活齿17可以沿所述导向槽21上下移动，用于实现轴向导向。所述活齿17与所述导向槽21的侧面接触面上设有一个或者两个接触平面，用于实现周向定位。

本发明中，活齿17上对应的端面与激波器3上的面凸轮接触，面凸轮为以封闭环状曲线引导的圆周曲面，在激波器3转动时可以推动活齿17做上下移动。

本发明中，所述激波器3的自转是通过偏心盘12的公转驱动的，所述偏心盘12的公转受到曲柄轴5的驱动，偏心盘12作用是连接高速级的行星轮系和低速级的活齿减速器。

本发明减速器实现减速作用的方式是：高速输入运动输入到行星轮系的中心齿轮9上，中心齿轮9将运动传递给行星齿轮7和曲柄轴5上，实现第一次减速；曲柄轴5带动偏心盘12绕激波器3的中心轴线做公转，带动激波器3自转，激波器3通过端面上的面凸轮驱动活齿17做上下移动，活齿17通过下端面的复杂曲面推动面齿圈20转动，实现第二次减速。

通过下面的方式来实现改善已有减速器力传递过程中的薄弱环节的目的，该减速器的活齿17和面齿圈20具有复杂齿廓，所述面齿圈20齿盘上的齿201、所述活齿17和所述激波器3的面凸轮的廓线均采用圆柱螺旋线，使得活齿17和面齿圈20之间可以实现曲面面接触。

圆柱螺旋线的参数方程如下：

公式中，r为活齿17或面齿圈20上某点相对面齿圈20中心轴线的距离，h为圆柱螺旋线旋转一周上升的高度，称为螺距，θ是相对初始点该点转过的角度，x,y,z是该点的坐标位置，所述圆柱螺旋线204是所述面齿圈20的廓线。

通过将活齿17的端面和面齿圈20齿盘上的齿201与活齿17啮合端面的工作位置加工为圆柱螺旋线，可以使活齿17和面齿圈20在工作过程中实现面接触，减小接触位置承受的压强，另外，同时保证多组活齿17在周向均布，在激波器3的驱动下，在任意时刻均有多个活齿17与该面齿圈20啮合，特别指出的是，这些活齿17处于同一个上下移动周期内的不同相位。通过以上的方式，可以确保磨损均匀的前提下传递加大力矩。

激波器3的面凸轮是由多段依次组成的闭合曲面，可以将这些段分类为升程段、回程段和过渡段，在面凸轮上依次出现的段为升程段、过渡段、回程段、过渡段、升程段等。其中升程段的主要作用是推动活齿向下移动，它的理论廓线是圆柱螺旋线，与面齿轮上的圆柱螺旋线不同的是z坐标的参数方程为

其中i是激波器和面齿圈之间的传动比，通常在10～40之间选取。回程段的主要作用是引导活齿向上脱离啮合，它的理论廓线也是圆柱螺旋线，与升程段不同的是z坐标的参数方程形式为

负号代表着高度方向与升程段相反。过度段是连接升程段和回程段的曲线，它主要作用是过度升程段和回程段之间活齿的轴向速度，防止速度突变引起的冲击，它的理论廓线可以任意选取，但要满足条件：与升程段和回程段相切，曲线连续光滑，例如可以选取和升程段和回程段同时相切的圆弧。面凸轮的实际廓线可以是任何光滑曲线沿理论廓线扫过的曲面，例如可以是一个圆扫过理论廓线形成的曲面，与此同时，活齿端面也应该是与该圆半径相等的半球面。

如图1所示，当减速器工作时，电机输入的高速转动直接传递给输入轴8，输入轴8与中心齿轮9一起高速转动，中心齿轮9带动行星齿轮7和曲柄轴5转动，三个曲柄轴5共同作用在偏心盘12上，使偏心盘12围绕激波器3的中心轴公转，激波器3通过位于下方的面凸轮驱动活齿17上下移动，活齿17与面齿圈20啮合，带动面齿圈20做低速转动，面齿圈20与输出盘14固联，将低速转动输出。由于行星齿轮7位于输出盘14上，因此行星齿轮7会随输出盘14公转，从而形成了封闭式结构。整个运动中，壳体1固定不动。

如图2、图3、图4和图5所示，面齿圈20的齿盘由若干个均布在一个圆环上的相同的不重复的轮组成，活齿17也均布在这个圆环上，通常，活齿17的个数为不重复齿数的一半少一个。齿盘的齿201的形状和活齿的形状相同，在以面齿圈20的中心轴线半径相同的圆环上，单个不重复的齿201和活齿17的曲线由两个导程相同旋向相反的圆柱螺旋线组成。不同半径下，面齿轮20和活齿17上的圆柱螺旋线导程依然相等。

本发明中，可以减少装配误差，最好将活齿17的导向槽21与壳体1做成一体。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.一种多级同轴面接触活齿精密减速器，由高速输入构件、低速输出构件和壳体(1)组成，所述高速输入构件包括输入轴(8)、与输入轴(8)固联的中心齿轮(9)、三个周向均布的行星齿轮(7)和分别三个行星齿轮(7)固联的曲柄轴(5)，三个曲柄轴(5)上套装有一个偏心盘(12)和激波器(3)；所述低速输出构件由活齿(17)，面齿圈(20)和输出盘(14)组成；所述输入轴(8)、中心齿轮(9)、激波器(3)、壳体(1)、面齿圈(20)和输出盘(14)为同轴设置；

其特征在于：

所述高速输入构件为一个行星轮系，所述低速输出构件为一个活齿减速装置；所述高速输入构件和所述低速输出构件共同组成一个K-H-V型周转轮系；

所述输入轴(8)承接高速输入运动，三个周向均布的行星齿轮(7)与中心齿轮(9)同时啮合，三个曲柄轴(5)的曲拐方向一致、并位于所述偏心盘(12)上的三个周向均布的阶梯孔内，所述偏心盘(12)放置于所述激波器(3)上；

所述壳体(1)上设有N个导向槽(21)，所述激波器(3)的下端有周向布置的面凸轮，有N个活齿(17)均布在面凸轮上，每个活齿(17)分别安装在壳体(1)的一个导向槽(21)内，每个活齿(17)均可沿所在的导向槽(21)上下移动，所述活齿(17)的下端与所述面齿圈(20)啮合，所述面齿圈(20)的齿盘上包括有2N+2个相同的齿(201)，所述面齿圈(20)与所述输出盘(14)固联。

2.根据权利要求1所述多级同轴面接触活齿精密减速器，其特征在于：所述面齿圈(20)齿盘上的齿(201)周向均布在面齿圈(20)端面上，所述齿(201)的工作曲线形状包括对称的、旋向相反的圆柱螺旋线(204)，为避免顶切，两段圆柱螺旋线(204)之间过度曲线连接；

所述活齿(17)的齿形与所述面齿圈(20)齿盘上齿(201)的齿形相同；所述激波器(3)的面凸轮理论廓线由两段上升工作曲线、两段下降工作曲线和四段过渡曲线依次连接而成，其中上升工作曲线和下降工作曲线为与面齿圈(20)的齿廓升程相等的导程更小的圆柱螺旋线，每段过渡曲线与前后两段工作曲线相切，该过渡曲线的任意一点均有导数，该过渡曲线的作用是使活齿(17)的上下移动平滑过渡，防止出现冲击。

3.根据权利要求1所述多级同轴活齿面接触精密减速器，其特征在于：所述活齿(17)与面凸轮接触，相位的不同，同一时刻，每个活齿(17)的高低位置存在差异，所述活齿(17)与所述导向槽(21)之间为间隙配合，所述活齿(17)可以沿所述导向槽(21)上下移动，用于实现轴向导向。

4.根据权利要求1所述多级同轴活齿面接触精密减速器，其特征在于：所述活齿(17)与所述导向槽(21)的侧面接触面上设有一个或者两个接触平面，用于实现周向定位。

5.根据权利要求1所多级同轴面接触活齿精密减速器，其特征在于：所述面齿圈(20)与所述壳体(1)之间、所述输出盘(14)与所述壳体(1)均是有油封(15)。

6.根据权利要求1所多级同轴面接触活齿精密减速器，其特征在于：所述曲柄轴(5)上在位于偏心盘轴承(6)与曲柄轴轴承(4)之间设有轴套(19)。

7.根据权利要求1所述多级同轴面接触活齿精密减速器，其特征在于：所述的激波器(3)的自转是通过偏心盘(12)的公转驱动的，所述偏心盘(12)的公转受到曲柄轴(5)的驱动，偏心盘(12)的作用是连接高速级的行星轮系和低速级的活齿减速器。

8.根据权利要求1所述多级同轴活齿面接触精密减速器，其特征在于，所述面齿圈(20)齿盘上的齿(201)、所述活齿(17)和所述激波器(3)的面凸轮的廓线均采用如下圆柱螺旋线，

圆柱螺旋线的参数方程如下：

公式中，r为活齿(17)或面齿圈(20)上某点相对面齿圈(20)中心轴线的距离，h为圆柱螺旋线旋转一周上升的高度，称为螺距，θ是相对初始点该点转过的角度，x,y,z是该点的坐标位置。

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